哺乳动物的消化系统内栖生着庞大的微生物种群,其所组成的微生态体系,紧密关联着宿主的营养与健康状况。饮食对该体系的发生发展起着重要调控作用,在日常摄入的众多饮食成分中,抗性聚糖的效用尤为突出。其中一类功能性低聚糖被定义为益生元,可促进肠道中有益菌的增殖与活性,被广泛应用于功能食品、微生态制剂与医疗药品。但长期大量的体外培养实验与近年来微生物组大数据的爆发表明,代谢低聚糖的微生物并非仅局限于有益菌。在特定的条件与剂量下,低聚糖的摄入也会产生负面效果。由此可见,在肠道菌群这一高度复合的生态体系中,不同微生物对低聚糖的时空响应十分复杂,深入研究低聚糖对肠道代谢及全身各器官生理机能的系统性影响,对精准营养与精准医疗的实践具有重要指导意义。为厘清低聚糖对肠道轴向微生物时空分布的影响,本文选用鼠科动物模型,借助高通量测序技术与宏基因组学分析手段,首先研究了正常生理条件下肠道菌群的空间构成与代谢功能,完成了一种模式动物肠道菌群生物地图的构建工作。继而通过多剂量膳食干预试验,系统解析了两种典型低聚糖(低聚果糖FOS、乳酮糖Lactulose)对肠道轴向代谢的影响,并应用多元统计学归纳了其中的量效与构效相关关系,主要研究结果如下:(1)跨平台跨可变区测序数据的排序聚类表明,不同食性的鼠科动物其肠道菌群在物种组成上存在显著差异,宿主基因型元数据对Bray-Curtis生态距离矩阵的区分力(R~2=0.25,P≤0.001)要强于肠道区段元数据(R~2=0.17,P≤0.001)。然而当肠道细菌的细胞封套被拆封时,基于功能基因的排序结果却表征出一个明显的熵增趋势,不同鼠科动物的肠道菌群在代谢功能上呈现出大面积的交叠。这说明肠道菌群是与宿主共同演进的,面对肠道内相似的环境压力,各宿主逐渐选择出一些结构迥异但功能类似的细菌群体,来补足地完成相应的微生态服务。(2)在宿主定向选择与环境随机暴露的共同作用下,鼠科动物的肠道菌群形成了独特的随机拼图结构。在未接受膳食干预的情况下,不同试验个体的肠道菌群在代谢功能上十分相似,个体差异并不显著(R~2=0.09,P=0.18)。而在低聚糖的膳食干预下,个体因素却构成了一个显著的分类因子,来自同一个体的肠内容物(R~2=0.13,P=0.002)和黏液层(R~2=0.10,P≤0.001)样品更倾向于排序平面内局部聚集。这说明不同个体的肠道菌群对低聚糖的敏感性及响应度存在较大差异,低聚糖作为强驱动力对随机拼图撞击将进化积累的同质功能稳态推向了完全不同的方向。(3)从消化道的上游至下游,菌群的多样性逐渐增加,群落的构成(R~2=0.37,P≤0.001)和代谢(R~2=0.60,P≤0.001)均呈现出明显的分层趋势,其核心组分先后经历了好氧菌(如叶杆菌Phyllobacterium、假单胞菌Pseudomonas和噬酸菌Acidovorax等)、兼性厌氧菌(如乳球菌Lactococcus、葡萄球菌Staphylococcus、链球菌Streptococcus和Globicatella等)到严格厌氧菌的变迁。在胃和小肠等上游解剖部位,产乳酸的细菌(如乳杆菌、链球菌和Turicibacter等)占有较高丰度,同时有氧能量代谢、小分子转运代谢也主要在上游富集。而在大肠等下游解剖部位,毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)与瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的细菌组成了菌群核心的主体部分,黏蛋白降解相关的代谢模块主要在大肠黏液层富集。低聚糖经口摄入会影响到消化道下游各部位菌群的代谢功能,其影响力沿纵向轴逐渐衰减,如在升结肠处,膳食干预对COG多维矩阵总方差的解释量为39.97%,横结肠处为32.81%,而降结肠处则降至26.59%,这在一定程度反映了低聚糖在消化腔内的空间分布梯度。(4)尽管沿消化道的径向方向,肠腔和黏液层是紧密接触的,但在这两个毗邻的微观生境中,核心菌群所构筑的共栖网络却呈现出截然不同的拓扑结构。其中内容物菌群形成的网络结构相对疏松,其网络直径为8,集中度为0.18,密度为0.17,从属于3个门的28种专性厌氧菌属在网络上与平均4.571个节点相连接。而黏液层菌群的共栖网络则分散为一些子网络模块,其中最大的模块是由15种专性厌氧菌构成的,彼此与平均6.8个节点相连接,共同编织形成一个密集的子网络,其网络直径为3,集中度为0.43,密度为0.49。低聚糖干预对黏液层菌群的影响较弱,在Lactulose低剂量组,黏液层菌群的代谢标记物比重占12.6%,而内容物菌群的比重占19.8%,在Lactulose高剂量组,黏液层菌群的代谢标记物比重占26.3%,而内容物菌群的比重占32.2%。这可能是因为黏液层中内源性黏蛋白寡糖较丰富,面对外源驱动力的撞击可起到一定的缓冲作用。(5)低聚糖作为直接介导底物,对肠道菌群的代谢功能具有很强的调节和驱动作用,其效应量与低聚糖的具体种类和摄入量相关。低聚糖的过量摄入将扰乱肠道原有平衡,降低微生态服务的多样性,使整体功能朝氨基酸代谢的方向偏移。此时肠道中潜在有害微生物增殖,细菌毒素水平上升,肠上皮大量脱落,黏蛋白出现滞积,菌群中偏好蛋白类底物的双歧杆菌占据优势地位,如在FOS梯度剂量的时序试验中,青春双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis,E/G=1.128)的丰度由最初基线处的0.86%上升至25%干预期的18.94%,在Lactulose高剂量的横断面试验中,高卢双歧杆菌(Bifidobacterium gallicum,E/G=1.363)在肠内容物和黏液层菌群的占比高达64.83%和28.17%。低聚糖膳食干预后,肠道元基因组中一些蛋白发酵产物,如甲硫醇、硫化氢、苯酚和多胺类物质的水平存在上升风险。而一些致癌与腐败物质的生成则被抑制,如?-葡萄糖醛酸酶、偶氮还原酶和脲酶基因的丰度有所下降,同时吲哚、甲基吲哚、苯乙酸、对甲酚和次级胆汁酸相关基因的丰度也呈现出下降趋势。